专题十八 化学工艺流程
课标要求 考情分析 核心素养
1. 了解钠、铁及其重要化合物的主要性质，了解这些物质在生产、生活中的应用。了解氯、氮、硫及其重要化合物的主要性质，认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。 2. 认识化学变化是有条件的，学习运用变量控制方法研究化学反应，了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。 3. 了解水溶液中的离子反应与平衡在物质检测、化学反应规律研究、物质转化中的应用。了解溶液pH的调控在工农业生产和科学研究中的应用。 4. 体会实验条件控制对完成科学实验及探究活动的作用。 新高考3年考频 100% 宏观辨识与微观探析 变化观念与平衡思想 科学探究与创新意识 科学态度与社会责任
试题难度 困难
考查形式 主观题
高频考向： 1.原料预处理的方式； 2.反应条件控制及选择； 3.物质分离与提纯的操作； 4.新情境下核心反应方程式的书写； 5.化工流程题中的曲线分析及应用； 6.化工流程题中Ksp的计算与应用。
命题趋势：
化学工艺流程题是高考化学的必考题型。试题常以无机矿物、工农业和生活废弃物的利用为情境，与元素化合物知识、化学基本原理、化工生产成本、环境保护等相融合，考查化学相关知识在化工生产中的实际应用。试题中的流程图一般由原料、核心反应和目标产物三部分组成，附加信息多以表格和图像呈现。设问角度一般可分为原料预处理、除杂、工业条件选择、产品的分离提纯、可持续发展和产率计算等方面。涉及的知识点有物质成分、化学反应及转化、工艺操作及目的、化学反应速率和平衡原理、pH范围判断、溶度积常数计算等，侧重于考查学生获取信息的能力、分析问题的能力、语言表达能力和计算能力。试题考查知识面广、综合性强、思维容量大，体现出综合性和应用性。预测2023年新高考仍主要围绕常见金属元素如Mg、Al、Fe等及过渡金属元素如V、Mn、Ti、Zn等，以金属矿物的开发利用和废旧金属物品(废旧电极材料、废弃的催化剂等)中的金属回收或再利用为情景，培养可持续发展意识和绿色化学理念。
解题思路：
技巧总结：
1．读流程图
（1）箭头：箭头进入的是投料(反应物)、出去的是主产物或副产物(生成物)。
（2）三线：出线和进线均表示物料流向或操作流程，返回线表示物质循环。
2．解题要点
（1）审题要点：①明确生产目的、原料及产品，②读懂题目提供的信息，特别是陌生物质的相关性质，③分析各步的反应条件、原理及物质成分，④理解实验操作和条件控制等在实际生产中的应用。
（2）答题切入点：①原料及产品的分离提纯，②生产目的及反应原理，③生产要求及反应条件，④有关产率、产量及组成的计算，⑤绿色化学。
真题溯源
1．[2022·全国甲卷]硫酸锌()是制备各种含锌材料的原料，在防腐、电镀、医学上有诸多应用。硫酸锌可由菱锌矿制备。菱锌矿的主要成分为，杂质为以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制备流程如下：
本题中所涉及离子的氢氧化物溶度积常数如下表：
离子
回答下列问题：
（1）菱锌矿焙烧生成氧化锌的化学方程式为 。
（2）为了提高锌的浸取效果，可采取的措施有 、 。
（3）加入物质X调溶液pH=5，最适宜使用的X是_______(填标号)。
A．NH3·H2O B．Ca(OH)2 C．NaOH
滤渣①的主要成分是_______、_______、_______。
（4）向的滤液①中分批加入适量KMnO4溶液充分反应后过滤，滤渣②中有MnO2，该步反应的离子方程式为 。
（5）滤液②中加入锌粉的目的是 。
（6）滤渣④与浓H2SO4反应可以释放HF并循环利用，同时得到的副产物是_______、_______。
2．[2022·全国乙卷]废旧铅蓄电池的铅膏中主要含有PbSO4、PbO2、PbO和Pb。还有少量Ba、Fe、Al的盐或氧化物等。为了保护环境、充分利用铅资源，通过下图流程实现铅的回收。
一些难溶电解质的溶度积常数如下表：
难溶电解质 PbSO4 PbCO3 BaSO4 BaCO3
一定条件下，一些金属氢氧化物沉淀时的如下表：
金属氢氧化物 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Al(OH)3 Pb(OH)2
开始沉淀的pH 2.3 6.8 3.5 7.2
完全沉淀的pH 3.2 8.3 4.6 9.1
回答下列问题：
（1）在“脱硫”中PbSO4转化反应的离子方程式为__________________，用沉淀溶解平衡原理解释选择Na2CO3的原因____________________________。
（2）在“脱硫”中，加入Na2CO3不能使铅膏中BaSO4完全转化，原因是____________________________。
（3）在“酸浸”中，除加入醋酸(HAc)，还要加入H2O2。
（i）能被H2O2氧化的离子是________；
（ii）H2O2促进了金属Pb在醋酸中转化为Pb(Ac)2，其化学方程式为 ；
（iii）H2O2也能使PbO2转化为Pb(Ac)2，H2O2的作用是_________________。
（4）“酸浸”后溶液的pH约为4.9，滤渣的主要成分是________________。
（5）“沉铅”的滤液中，金属离子有________。
3．[2022·广东卷]稀土（RE）包括镧、钇等元素，是高科技发展的关键支撑。我国南方特有的稀土矿可用离子交换法处理，一种从该类矿(含铁、铝等元素)中提取稀土的工艺如下：
已知：月桂酸（C11H23COOH）熔点为44℃；月桂酸和(C11H23COO)3RE均难溶于水。该工艺条件下，稀土离子保持价不变；(C11H23COO)2Mg的Ksp=1.8×10-8，Al(OH)3开始溶解时的pH为8.8；有关金属离子沉淀的相关pH见下表。
离子 Mg2+ Fe3+ Al3+ RE3+
开始沉淀时的pH 8.8 1.5 3.6 6.2~7.4
沉淀完全时的pH / 3.2 4.7 /
（1） “氧化调pH”中，化合价有变化的金属离子是_______。
（2） “过滤1”前，用NaOH溶液调pH至______的范围内，该过程中发生反应的离子方程式为__________。
（3） “过滤2”后，滤饼中检测不到Mg元素，滤液2中Mg2+浓度为2.7g·L-1。为尽可能多地提取RE3+，可提高月桂酸钠的加入量，但应确保“过滤2”前的溶液中c(C11H23COO-)低于_______ mol·L-1(保留两位有效数字)。
（4）①“加热搅拌”有利于加快RE3+溶出、提高产率，其原因是_______________________。
②“操作X”的过程为：先_________，再固液分离。
（5）该工艺中，可再生循环利用的物质有_______(写化学式)。
（6）稀土元素钇(Y)可用于制备高活性的合金类催化剂Pt3Y。
①还原YCl3和PtCl4熔融盐制备Pt3Y时，生成1mol Pt3Y转移_______mol电子。
②Pt3Y/C用作氢氧燃料电池电极材料时，能在碱性溶液中高效催化O2的还原，发生的电极反应为____________。
4．[2022·湖南卷]钛(Ti)及其合金是理想的高强度、低密度结构材料。以钛渣(主要成分为，含少量V、Si和Al的氧化物杂质)为原料，制备金属钛的工艺流程如下：
已知“降温收尘”后，粗中含有的几种物质的沸点：
物质
沸点/℃ 136 127 57 180
回答下列问题：
（1）已知，的值只决定于反应体系的始态和终态，忽略、随温度的变化。若，则该反应可以自发进行。根据下图判断：时，下列反应不能自发进行的是_______。
A．
B．
C．
D．
（2）与C、Cl2，在的沸腾炉中充分反应后，混合气体中各组分的分压如下表：
物质
分压/MPa
①该温度下，与C、Cl2反应的总化学方程式为_______________________；
②随着温度升高，尾气中CO的含量升高，原因是______________________________________。
（3）“除钒”过程中的化学方程式为_______；“除硅、铝”过程中，分离中含、杂质的方法是_______。
（4）“除钒”和“除硅、铝”的顺序_______(填“能”或“不能”)交换，理由是____________________。
（5）下列金属冶炼方法与本工艺流程中加入Mg冶炼Ti的方法相似的是_______。
A．高炉炼铁 B．电解熔融氯化钠制钠
C．铝热反应制锰 D．氧化汞分解制汞
5．[2022·山东卷]工业上以氟磷灰石[，含等杂质]为原料生产磷酸和石膏，工艺流程如下：
回答下列问题：
（1）酸解时有产生。氢氟酸与反应生成二元强酸，离子方程式为_____________________。
（2）部分盐的溶度积常数见下表。精制Ⅰ中，按物质的量之比加入脱氟，充分反应后，c(Na+)=_______；再分批加入一定量的，首先转化为沉淀的离子是_______。
（3）浓度(以计)在一定范围时，石膏存在形式与温度、浓度(以计)的关系如图甲所示。酸解后，在所得、为45的混合体系中，石膏存在形式为_______(填化学式)；洗涤时使用一定浓度的硫酸溶液而不使用水，原因是__________________，回收利用洗涤液X的操作单元是_______；一定温度下，石膏存在形式与溶液中和的关系如图乙所示，下列条件能实现酸解所得石膏结晶转化的是_______(填标号)。
A．、、 B．、、
C．、、 D．、、
6．[2021·湖南卷]可用于催化剂载体及功能材料的制备。天然独居石中，铈(Ce)主要以形式存在，还含有、、、等物质。以独居石为原料制备的工艺流程如下：
回答下列问题：
（1）铈的某种核素含有58个质子和80个中子，该核素的符号为_______。
（2）为提高“水浸”效率，可采取的措施有___________________(至少写两条)。
（3）滤渣Ⅲ的主要成分是_____________(填化学式)；
（4）加入絮凝剂的目的是_______________________。
（5）“沉铈”过程中，生成的离子方程式为_____________________，常温下加入的溶液呈_______(填“酸性”“碱性”或“中性”)。(已知：的，的，)
（6）滤渣Ⅱ的主要成分为，在高温条件下，、葡萄糖()和可制备电极材料，同时生成和，该反应的化学方程式为______________________。
7．[2021·河北卷]绿色化学在推动社会可持续发展中发挥着重要作用。某科研团队设计了一种熔盐液相氧化法制备高价铬盐的新工艺，该工艺不消耗除铬铁矿、氢氧化钠和空气以外的其他原料，不产生废弃物，实现了Cr—Fe—Al—Mg的深度利用和Na+内循环。工艺流程如图：
回答下列问题：
（1）高温连续氧化工序中被氧化的元素是_______(填元素符号)。
（2）工序①的名称为__________。
（3）滤渣Ⅰ的主要成分是______________(填化学式)。
（4）工序③中发生反应的离子方程式为__________________________________。
（5）物质V可代替高温连续氧化工序中的NaOH，此时发生的主要反应的化学方程式为____________________，可代替NaOH的化学试剂还有_______(填化学式)。
（6）热解工序产生的混合气体最适宜返回工序_______(填“①”或“②”或“③”或“④”)参与内循环。
（7）工序④溶液中的铝元素恰好完全转化为沉淀的pH为______。(通常认为溶液中离子浓度小于10-5mol L-1为沉淀完全；Al(OH)3+OH-Al(OH)：K=100.63，Kw=10-14，Ksp[A1(OH)3]=10-33)
8．[2021·山东卷]工业上以铬铁矿(FeCr2O4，含Al、Si氧化物等杂质)为主要原料制备红矾钠(Na2Cr2O7 2H2O)的工艺流程如图。回答下列问题：
（1）焙烧的目的是将FeCr2O4转化为Na2CrO4并将Al、Si氧化物转化为可溶性钠盐，焙烧时气体与矿料逆流而行，目的是_________________________________。
（2）矿物中相关元素可溶性组分物质的量浓度c与pH的关系如图所示。当溶液中可溶组分浓度c≤1.0×10-5mol L-1时，可认为已除尽。
中和时pH的理论范围为________；酸化的目的是_______________；Fe元素在_______(填操作单元的名称)过程中除去。
（3）蒸发结晶时，过度蒸发将导致_______________；冷却结晶所得母液中，除Na2Cr2O7外，可在上述流程中循环利用的物质还有__________。
（4）利用膜电解技术(装置如图所示)，以Na2CrO4为主要原料制备Na2Cr2O7的总反应方程式为：4Na2CrO4+4H2O2Na2Cr2O7+4NaOH+2H2↑+O2↑。则Na2Cr2O7在_____(填“阴”或“阳”)极室制得，电解时通过膜的离子主要为___________。专题十八 化学工艺流程
课标要求 考情分析 核心素养
1. 了解钠、铁及其重要化合物的主要性质，了解这些物质在生产、生活中的应用。了解氯、氮、硫及其重要化合物的主要性质，认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。 2. 认识化学变化是有条件的，学习运用变量控制方法研究化学反应，了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。 3. 了解水溶液中的离子反应与平衡在物质检测、化学反应规律研究、物质转化中的应用。了解溶液pH的调控在工农业生产和科学研究中的应用。 4. 体会实验条件控制对完成科学实验及探究活动的作用。 新高考3年考频 100% 宏观辨识与微观探析 变化观念与平衡思想 科学探究与创新意识 科学态度与社会责任
试题难度 困难
考查形式 主观题
高频考向： 1.原料预处理的方式； 2.反应条件控制及选择； 3.物质分离与提纯的操作； 4.新情境下核心反应方程式的书写； 5.化工流程题中的曲线分析及应用； 6.化工流程题中Ksp的计算与应用。
命题趋势：
化学工艺流程题是高考化学的必考题型。试题常以无机矿物、工农业和生活废弃物的利用为情境，与元素化合物知识、化学基本原理、化工生产成本、环境保护等相融合，考查化学相关知识在化工生产中的实际应用。试题中的流程图一般由原料、核心反应和目标产物三部分组成，附加信息多以表格和图像呈现。设问角度一般可分为原料预处理、除杂、工业条件选择、产品的分离提纯、可持续发展和产率计算等方面。涉及的知识点有物质成分、化学反应及转化、工艺操作及目的、化学反应速率和平衡原理、pH范围判断、溶度积常数计算等，侧重于考查学生获取信息的能力、分析问题的能力、语言表达能力和计算能力。试题考查知识面广、综合性强、思维容量大，体现出综合性和应用性。预测2023年新高考仍主要围绕常见金属元素如Mg、Al、Fe等及过渡金属元素如V、Mn、Ti、Zn等，以金属矿物的开发利用和废旧金属物品(废旧电极材料、废弃的催化剂等)中的金属回收或再利用为情景，培养可持续发展意识和绿色化学理念。
解题思路：
技巧总结：
1．读流程图
（1）箭头：箭头进入的是投料(反应物)、出去的是主产物或副产物(生成物)。
（2）三线：出线和进线均表示物料流向或操作流程，返回线表示物质循环。
2．解题要点
（1）审题要点：①明确生产目的、原料及产品，②读懂题目提供的信息，特别是陌生物质的相关性质，③分析各步的反应条件、原理及物质成分，④理解实验操作和条件控制等在实际生产中的应用。
（2）答题切入点：①原料及产品的分离提纯，②生产目的及反应原理，③生产要求及反应条件，④有关产率、产量及组成的计算，⑤绿色化学。
真题溯源
1．[2022·全国甲卷]硫酸锌()是制备各种含锌材料的原料，在防腐、电镀、医学上有诸多应用。硫酸锌可由菱锌矿制备。菱锌矿的主要成分为，杂质为以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制备流程如下：
本题中所涉及离子的氢氧化物溶度积常数如下表：
离子
回答下列问题：
（1）菱锌矿焙烧生成氧化锌的化学方程式为 。
（2）为了提高锌的浸取效果，可采取的措施有 、 。
（3）加入物质X调溶液pH=5，最适宜使用的X是_______(填标号)。
A．NH3·H2O B．Ca(OH)2 C．NaOH
滤渣①的主要成分是_______、_______、_______。
（4）向的滤液①中分批加入适量KMnO4溶液充分反应后过滤，滤渣②中有MnO2，该步反应的离子方程式为 。
（5）滤液②中加入锌粉的目的是 。
（6）滤渣④与浓H2SO4反应可以释放HF并循环利用，同时得到的副产物是_______、_______。
（1）ZnCO3ZnO+CO2↑
（2）将焙烧后的产物碾碎，增大接触面积；适当增大硫酸的浓度等
（3）B；Fe(OH)3；CaSO4；SiO2
（4）3Fe2+++7H2O=3Fe(OH)3↓+MnO2↓+5H+
（5）置换Cu2+为Cu从而除去
（6）CaSO4；MgSO4
【解析】由题干信息，菱锌矿的主要成分为ZnCO3，杂质为SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物，结合流程图分析，菱锌矿焙烧，主要发生反应ZnCO3ZnO+CO2↑，再加入H2SO4酸浸，得到含Zn2+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Cu2+的溶液，加入物质X调节pH=5，结合表格数据，过滤得到Fe(OH)3、CaSO4、SiO2的滤渣①，滤液①中主要含有Zn2+、Cu2+、Mg2+、Ca2+、Fe2+，再向滤液①中加入KMnO4溶液氧化Fe2+，过滤得到Fe(OH)3和MnO2的滤渣②，滤液②中加入锌粉，发生反应Zn+Cu2+=Zn2++Cu，过滤后得到滤渣③为Cu，再向滤液③中加入HF脱钙镁，过滤得到滤渣④为CaF2、MgF2，滤液④为ZnSO4溶液，经一系列处理得到ZnSO4·7H2O，据此分析解答。
（1）由上述分析可知，焙烧时，生成ZnO的反应为：ZnCO3ZnO+CO2↑；
（2）可采用将焙烧后的产物碾碎，增大接触面积、适当增大硫酸的浓度等方式提高锌的浸取率；
（3）A．NH3·H2O会引入杂质铵根离子，且经济成本较高，故A不适宜；B．Ca(OH)2不会引入新的杂质，且成本较低，故B适宜；C．NaOH会引入杂质Na+，且成本较高，C不适宜；故答案选B；
当金属离子沉淀完全时，溶液中金属离子浓度小于10-5mol·L-1，结合Ksp数据，当离子完全沉淀时pH=5时只有Fe3+形成Fe(OH)3沉淀，故滤渣①中有Fe(OH)3，又由于CaSO4是微溶物，SiO2不溶于酸，故滤渣①的主要成分是Fe(OH)3、CaSO4、SiO2；
（4）向80~90℃滤液①中加入KMnO4溶液，可氧化Fe2+，得到Fe(OH)3和MnO2的滤渣②，反应的离子方程式为3Fe2+++7H2O=3Fe(OH)3↓+MnO2↓+5H+；
（5）滤液②中加入锌粉，发生反应Zn+Cu2+=Zn2++Cu，故加入锌粉的目的为置换Cu2+为Cu从而除去；
（6）由上述分析可知，滤渣④为CaF2、MgF2，与浓硫酸反应可得到HF，同时得到的副产物为CaSO4、MgSO4。
2．[2022·全国乙卷]废旧铅蓄电池的铅膏中主要含有PbSO4、PbO2、PbO和Pb。还有少量Ba、Fe、Al的盐或氧化物等。为了保护环境、充分利用铅资源，通过下图流程实现铅的回收。
一些难溶电解质的溶度积常数如下表：
难溶电解质 PbSO4 PbCO3 BaSO4 BaCO3
一定条件下，一些金属氢氧化物沉淀时的如下表：
金属氢氧化物 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Al(OH)3 Pb(OH)2
开始沉淀的pH 2.3 6.8 3.5 7.2
完全沉淀的pH 3.2 8.3 4.6 9.1
回答下列问题：
（1）在“脱硫”中PbSO4转化反应的离子方程式为__________________，用沉淀溶解平衡原理解释选择Na2CO3的原因____________________________。
（2）在“脱硫”中，加入Na2CO3不能使铅膏中BaSO4完全转化，原因是____________________________。
（3）在“酸浸”中，除加入醋酸(HAc)，还要加入H2O2。
（i）能被H2O2氧化的离子是________；
（ii）H2O2促进了金属Pb在醋酸中转化为Pb(Ac)2，其化学方程式为 ；
（iii）H2O2也能使PbO2转化为Pb(Ac)2，H2O2的作用是_________________。
（4）“酸浸”后溶液的pH约为4.9，滤渣的主要成分是________________。
（5）“沉铅”的滤液中，金属离子有________。
（1）PbSO4(s)+CO(aq)PbCO3(s)+SO(aq)；反应PbSO4(s)+CO(aq)PbCO3(s)+SO(aq)的平衡常数K===3.4×105>105，PbSO4可以比较彻底的转化为PbCO3
（2）反应BaSO4(s)+CO(aq)BaCO3(s)+SO(aq)的平衡常数K===0.04<<105，反应正向进行的程度很小
（3）（i）Fe2+ （ii）Pb+H2O2+2HAc=Pb(Ac)2+2H2O （iii）作还原剂
（4）Fe(OH)3、Al(OH)3、BaSO4
（5）Ba2+、Na+
【解析】铅膏中主要含有PbSO4、PbO2、PbO和Pb，还有少量Ba、Fe、Al的盐或氧化物等，向铅膏中加入碳酸钠溶液进行脱硫，硫酸铅转化为碳酸铅，过滤，向所得固体中加入醋酸、过氧化氢进行酸浸，过氧化氢可将溶液中的亚铁离子氧化为铁离子，酸浸后溶液的pH约为4.9，依据金属氢氧化物沉淀时的pH可知，滤渣主要成分为氢氧化铝、氢氧化铁，过滤后，向滤液中加入氢氧化钠溶液进行沉铅，得到氢氧化铅沉淀，滤液中的金属阳离子主要为钠离子和钡离子，氢氧化铅再进行处理得到PbO。
（1）“脱硫”中，碳酸钠溶液与硫酸铅反应生成碳酸铅和硫酸钠，反应的离子方程式为：PbSO4(s)+CO(aq)PbCO3(s)+SO(aq)，由上述一些难溶电解质的溶度积常数的数据可知，Ksp(PbCO3)=7.4×10-14，Ksp(PbSO4)=2.5×10-8，反应PbSO4(s)+CO(aq)PbCO3(s)+SO(aq)的平衡常数K====≈3.4×105>105，说明可以转化的比较彻底，且转化后生成的碳酸铅可由酸浸进入溶液中，减少铅的损失。
（2）反应BaSO4(s)+CO(aq)BaCO3(s)+SO(aq)的平衡常数K====≈0.04<<105，说明该反应正向进行的程度很小，因此加入碳酸钠不能使铅膏中的BaSO4完全转化。
（3）（i）过氧化氢有氧化性，亚铁离子有还原性，会被过氧化氢氧化为铁离子。
（ii）过氧化氢促进金属Pb在醋酸溶液中转化为Pb(Ac)2，过氧化氢与Pb、HAc发生氧化还原反应生成Pb(Ac)2和H2O，依据得失电子守恒和原子守恒可知，反应的化学方程式为：Pb+H2O2+2HAc=Pb(Ac)2+2H2O。
（iii）过氧化氢也能使PbO2转化为Pb(Ac)2，铅元素化合价由+4价降低到了+2价，PbO2是氧化剂，则过氧化氢是还原剂。
（4）酸浸后溶液的pH约为4.9，依据金属氢氧化物沉淀时的pH可知，滤渣主要成分为氢氧化铝、氢氧化铁，并且BaSO4未能完全转化为BaCO3，滤渣中还含有BaSO4。
（5）依据分析可知，加入碳酸钠不能使铅膏中的BaSO4完全转化，铁离子、铝离子转化为了氢氧化铁、氢氧化铝沉淀，铅转化为了氢氧化铅，最终变为了氧化铅，因此沉铅的滤液中，金属离子有Ba2+和加入碳酸钠、氢氧化钠时引入的Na+。
3．[2022·广东卷]稀土（RE）包括镧、钇等元素，是高科技发展的关键支撑。我国南方特有的稀土矿可用离子交换法处理，一种从该类矿(含铁、铝等元素)中提取稀土的工艺如下：
已知：月桂酸（C11H23COOH）熔点为44℃；月桂酸和(C11H23COO)3RE均难溶于水。该工艺条件下，稀土离子保持价不变；(C11H23COO)2Mg的Ksp=1.8×10-8，Al(OH)3开始溶解时的pH为8.8；有关金属离子沉淀的相关pH见下表。
离子 Mg2+ Fe3+ Al3+ RE3+
开始沉淀时的pH 8.8 1.5 3.6 6.2~7.4
沉淀完全时的pH / 3.2 4.7 /
（1） “氧化调pH”中，化合价有变化的金属离子是_______。
（2） “过滤1”前，用NaOH溶液调pH至______的范围内，该过程中发生反应的离子方程式为__________。
（3） “过滤2”后，滤饼中检测不到Mg元素，滤液2中Mg2+浓度为2.7g·L-1。为尽可能多地提取RE3+，可提高月桂酸钠的加入量，但应确保“过滤2”前的溶液中c(C11H23COO-)低于_______ mol·L-1(保留两位有效数字)。
（4）①“加热搅拌”有利于加快RE3+溶出、提高产率，其原因是_______________________。
②“操作X”的过程为：先_________，再固液分离。
（5）该工艺中，可再生循环利用的物质有_______(写化学式)。
（6）稀土元素钇(Y)可用于制备高活性的合金类催化剂Pt3Y。
①还原YCl3和PtCl4熔融盐制备Pt3Y时，生成1mol Pt3Y转移_______mol电子。
②Pt3Y/C用作氢氧燃料电池电极材料时，能在碱性溶液中高效催化O2的还原，发生的电极反应为____________。
（1）Fe2+
（2）4.7≤pH<6.2；Al3++3OH-=Al(OH)3↓
（3）4.0×10-4
（4）①加热搅拌可加快反应速率 ②冷却结晶
（5）MgSO4
（6）①15 ②O2+4e-+2H2O=4OH-
【解析】由流程可知，该类矿(含铁、铝等元素)加入酸化MgSO4溶液浸取，得到浸取液中含有RE3+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、等离子，经氧化调pH使Fe3+、Al3+形成沉淀，经过滤除去，滤液1中含有RE3+、Mg2+、等离子，加入月桂酸钠，使RE3+形成(C11H23COO)3RE沉淀，滤液2主要含有MgSO4溶液，可循环利用，滤饼加盐酸，经加热搅拌溶解后，再冷却结晶，析出月桂酸，再固液分离得到RECl3溶液。
（1）由分析可知，“氧化调pH”目的是除去含铁、铝等元素的离子，需要将Fe2+氧化为Fe3+，以便后续除杂，所以化合价有变化的金属离子是Fe2+；
（2）由表中数据可知，Al3+沉淀完全的pH为4.7，而RE3+开始沉淀的pH为6.2~7.4，所以为保证Fe3+、Al3+沉淀完全，且RE3+不沉淀，要用NaOH溶液调pH至4.7≤pH<6.2的范围内，该过程中Al3+发生反应的离子方程式为Al3++3OH-=Al(OH)3↓；
（3）滤液2中Mg2+浓度为2.7g·Lˉ1，即0.1125mol·L-1，根据，若要加入月桂酸钠后只生成(C11H23COO)3RE，而不产生(C11H23COO)2Mg，则==4.0×10-4mol·L-1；
（4）①“加热搅拌”有利于加快RE3+溶出、提高产率，其原因是加热搅拌可加快反应速率；
② “操作X”的结果是分离出月桂酸，由信息可知，月桂酸（C11H23COOH）熔点为44℃，且难溶于水，故“操作X”的过程为：先冷却结晶，再固液分离；
（5）由上述分析可知，该工艺中，可再生循环利用的物质有MgSO4；
（6）①YCl3中Y为+3价，PtCl4中Pt为+4价，而Pt3Y中金属均为0价，所以还原YCl3和PtCl4熔融盐制备Pt3Y时，生成1mol Pt3Y转移15mol电子；
②碱性溶液中，氢氧燃料电池正极发生还原反应，发生的电极反应为O2+4e-+2H2O=4OH-。
4．[2022·湖南卷]钛(Ti)及其合金是理想的高强度、低密度结构材料。以钛渣(主要成分为，含少量V、Si和Al的氧化物杂质)为原料，制备金属钛的工艺流程如下：
已知“降温收尘”后，粗中含有的几种物质的沸点：
物质
沸点/℃ 136 127 57 180
回答下列问题：
（1）已知，的值只决定于反应体系的始态和终态，忽略、随温度的变化。若，则该反应可以自发进行。根据下图判断：时，下列反应不能自发进行的是_______。
A．
B．
C．
D．
（2）与C、Cl2，在的沸腾炉中充分反应后，混合气体中各组分的分压如下表：
物质
分压/MPa
①该温度下，与C、Cl2反应的总化学方程式为_______________________；
②随着温度升高，尾气中CO的含量升高，原因是______________________________________。
（3）“除钒”过程中的化学方程式为_______；“除硅、铝”过程中，分离中含、杂质的方法是_______。
（4）“除钒”和“除硅、铝”的顺序_______(填“能”或“不能”)交换，理由是____________________。
（5）下列金属冶炼方法与本工艺流程中加入Mg冶炼Ti的方法相似的是_______。
A．高炉炼铁 B．电解熔融氯化钠制钠
C．铝热反应制锰 D．氧化汞分解制汞
（1）C
（2）①5TiO2+6C+10Cl25TiCl4+2CO+4CO2 ②随着温度升高，CO2与C发生反应
（3）3VOCl3+Al=3VOCl2+AlCl3；蒸馏
（4）不能；若先“除硅、铝”再“除钒”，“除钒”时需要加入Al，又引入Al杂质
（5）AC
【解析】钛渣中加入C、Cl2进行沸腾氯化，转化为相应的氯化物，降温收尘后得到粗TiCl4，加入单质Al除钒，再除硅、铝得到纯TiCl4，加入Mg还原得到Ti。
（1）记①，②，③，④；
A．由图可知，600℃时的，反应自发进行，故A不符合题意；
B．由图可知，600℃时的，反应自发进行，故B不符合题意；
C．由图可知，600℃时的，反应不能自发进行，故C符合题意；
D．根据盖斯定律，可由①+③得到，则600℃时其，反应自发进行，故D不符合题意；
故选C；
（2）①根据表中数据可知，该温度下C主要生成CO和CO2，根据相同条件下气体的压强之比等于物质的量之比可知TiCl4、CO和CO2的物质的量之比约是5：2：4，所以TiO2与C、Cl2反应的总化学方程式为5TiO2+6C+10Cl25TiCl4+2CO+4CO2，故答案为：5TiO2+6C+10Cl25TiCl4+2CO+4CO2；
②随着温度升高，CO2与C发生反应，导致CO含量升高，故答案为：随着温度升高，CO2与C发生反应；
（3）“降温收尘”后钒元素主要以VOCl3形式存在，加入Al得到VOCl2渣，根据得失电子守恒和元素守恒配平方程式为3VOCl3+Al=3VOCl2+AlCl3；AlCl3、SiCl4与TiCl4沸点差异较大，“除硅、铝"过程中可采用蒸馏的方法分离AlCl3、SiCl4，故答案为：3VOCl3+Al=3VOCl2+AlCl3；蒸馏；
（4）若先“除硅、铝”再“除钒”，“除钒”时需要加入Al，又引入Al杂质，因此“除钒”和“除硅、铝”的顺序不能交换，故答案为：不能；若先“除硅、铝”再“除钒”，“除钒”时需要加入Al，又引入Al杂质；
（5）本工艺中加入Mg冶炼Ti的方法为热还原法；
A．高炉炼铁的原理是用还原剂将铁矿石中铁的氧化物还原成金属铁，属于热还原法，故A符合题意；
B．电解熔融氯化钠制取金属钠的原理是电解法，故B不符合题意；
C．铝热反应制锰是利用Al作还原剂，将锰从其化合物中还原出来，为热还原法，故C符合题意；
D．Hg为不活泼金属，可以直接用加热分解氧化汞的方法制备汞，故D不符合题意；
故选AC。
5．[2022·山东卷]工业上以氟磷灰石[，含等杂质]为原料生产磷酸和石膏，工艺流程如下：
回答下列问题：
（1）酸解时有产生。氢氟酸与反应生成二元强酸，离子方程式为_____________________。
（2）部分盐的溶度积常数见下表。精制Ⅰ中，按物质的量之比加入脱氟，充分反应后，c(Na+)=_______；再分批加入一定量的，首先转化为沉淀的离子是_______。
（3）浓度(以计)在一定范围时，石膏存在形式与温度、浓度(以计)的关系如图甲所示。酸解后，在所得、为45的混合体系中，石膏存在形式为_______(填化学式)；洗涤时使用一定浓度的硫酸溶液而不使用水，原因是__________________，回收利用洗涤液X的操作单元是_______；一定温度下，石膏存在形式与溶液中和的关系如图乙所示，下列条件能实现酸解所得石膏结晶转化的是_______(填标号)。
A．、、 B．、、
C．、、 D．、、
（1）6HF+SiO2=2H+++2H2O
（2）；
（3）CaSO4·0.5H2O；减少CaSO4的溶解损失，提高产品石膏的产率；酸解；D
【解析】氟磷灰石用硫酸溶解后过滤，得到粗磷酸和滤渣，滤渣经洗涤后结晶转化为石膏；粗磷酸以精制Ⅰ脱氟、除硫酸根离子和，过滤，滤液经精制Ⅱ等一系列操作得到磷酸。
（1）氢氟酸与SiO2反应生成二元强酸H2SiF6，该反应的离子方程式为6HF+SiO2=2H+++2H2O。
（2）精制Ⅰ中，按物质的量之比n(Na2CO3):n()=1:1加入Na2CO3脱氟，该反应的化学方程式为H2SiF6+ Na2CO3=Na2SiF6↓+CO2↑+ H2O，充分反应后得到沉淀Na2SiF6，溶液中有饱和的Na2SiF6，且c(Na+)=2c()，根据Na2SiF6的溶度积和沉淀溶解平衡方程式可知Ksp=c2(Na+) c()=4c3()，c() =mol L-1，因此c(Na+)=2c()=mol L-1；同时，粗磷酸中还有硫酸钙的饱和溶液，同理可得c(Ca2+)=c()=mol L-1；分批加入一定量的BaCO3，当BaSiF6沉淀开始生成时，c(Ba2+)=mol L-1，当BaSO4沉淀开始生成时，c(Ba2+)=mol L-1，因此，首先转化为沉淀的离子是，然后才是。
（3）根据图甲中的坐标信息，酸解后，在所得100℃、P2O5%为45的混合体系中，石膏存在形式为CaSO4 0.5H2O；CaSO4在硫酸中的溶解度小于在水中的，因此，洗涤时使用一定浓度的硫酸溶液而不使用水的原因是：减少CaSO4的溶解损失，提高产品石膏的产率；洗涤液X中含有硫酸，其具有回收利用的价值，由于酸解时使用的也是硫酸，因此，回收利用洗涤液X的操作单元是：酸解。由图甲信息可知，温度越低，越有利于实现酸解所得石膏结晶的转化，由图乙信息可知，位于65℃线上方的晶体全部以CaSO4 0.5H2O形式存在，位于80℃线下方，晶体全部以CaSO4 2H2O形式存在，在两线之间的以两种晶体的混合物形式存在：
A．P2O5%=15、SO3%=15，由图乙信息可知，该点坐标位于两个温度线之间，故不能实现晶体的完全转化，A不符合题意；
B．P2O5%=10、SO3%=20，由图乙信息可知，该点坐标位于两个温度线（65℃、80℃）之间，故不能实现晶体的完全转化，B不符合题意；
C．P2O5%=10、SO3%=30，由图乙信息可知，该点坐标位于65℃线上方，晶体全部以CaSO4 0.5H2O形式存在，故不能实现晶体转化，C不符合题意；
D．P2O5%=10、SO3%=10，由图乙信息可知，该点坐标位于80℃线下方，晶体全部以CaSO4 2H2O形式存在，故能实现晶体的完全转化，D符合题意；
综上所述，能实现酸解所得石膏结晶转化的是D。
6．[2021·湖南卷]可用于催化剂载体及功能材料的制备。天然独居石中，铈(Ce)主要以形式存在，还含有、、、等物质。以独居石为原料制备的工艺流程如下：
回答下列问题：
（1）铈的某种核素含有58个质子和80个中子，该核素的符号为_______。
（2）为提高“水浸”效率，可采取的措施有___________________(至少写两条)。
（3）滤渣Ⅲ的主要成分是_____________(填化学式)；
（4）加入絮凝剂的目的是_______________________。
（5）“沉铈”过程中，生成的离子方程式为_____________________，常温下加入的溶液呈_______(填“酸性”“碱性”或“中性”)。(已知：的，的，)
（6）滤渣Ⅱ的主要成分为，在高温条件下，、葡萄糖()和可制备电极材料，同时生成和，该反应的化学方程式为______________________。
（1）
（2）适当升高温度，将独居石粉碎等
（3）Al(OH)3、Fe(OH)3
（4）促使Al(OH)3胶体和Fe(OH)3胶体聚沉，便于分离
（5）↓+3CO2↑；碱性
（6）3++66+9CO↑+6H2O
【解析】焙烧浓硫酸和独居石的混合物，水浸，转化为Ce2(SO4)3和H3PO4，与硫酸不反应，转化为Al2(SO4)3，转化为Fe2(SO4)3，转化为CaSO4和HF，酸性废气含HF；后过滤，滤渣Ⅰ为和磷酸钙、FePO4，滤液主要含H3PO4、Ce2(SO4)3、Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3，加氯化铁溶液除磷，滤渣Ⅱ为FePO4；聚沉将铁离子、铝离子转化为沉淀，过滤除去，滤渣Ⅲ主要为氢氧化铝，还含氢氧化铁；加碳酸氢铵沉铈得Ce2(CO3)3·nH2O。
（1）铈的某种核素含有58个质子和80个中子，则质量数为58+80=138，该核素的符号为；
（2）为提高“水浸”效率，可采取的措施有适当升高温度，将独居石粉碎等；
（3）结合流程可知，滤渣Ⅲ的主要成分是Al(OH)3、Fe(OH)3；
（4）加入絮凝剂的目的是促使Al(OH)3胶体和Fe(OH)3胶体聚沉，便于分离；
（5）用碳酸氢铵“沉铈”，则结合原子守恒、电荷守恒可知生成的离子方程式为↓+3CO2↑；铵根离子的水解常数Kh()=≈5.7×10-10，碳酸氢根的水解常数Kh()=≈2.3×10-8，则Kh()（6）由在高温条件下，、葡萄糖()和可制备电极材料，同时生成和可知，该反应中Fe价态降低，C价态升高，结合得失电子守恒、原子守恒可知该反应的化学方程式为3++66+9CO↑+6H2O。
7．[2021·河北卷]绿色化学在推动社会可持续发展中发挥着重要作用。某科研团队设计了一种熔盐液相氧化法制备高价铬盐的新工艺，该工艺不消耗除铬铁矿、氢氧化钠和空气以外的其他原料，不产生废弃物，实现了Cr—Fe—Al—Mg的深度利用和Na+内循环。工艺流程如图：
回答下列问题：
（1）高温连续氧化工序中被氧化的元素是_______(填元素符号)。
（2）工序①的名称为__________。
（3）滤渣Ⅰ的主要成分是______________(填化学式)。
（4）工序③中发生反应的离子方程式为__________________________________。
（5）物质V可代替高温连续氧化工序中的NaOH，此时发生的主要反应的化学方程式为____________________，可代替NaOH的化学试剂还有_______(填化学式)。
（6）热解工序产生的混合气体最适宜返回工序_______(填“①”或“②”或“③”或“④”)参与内循环。
（7）工序④溶液中的铝元素恰好完全转化为沉淀的pH为______。(通常认为溶液中离子浓度小于10-5mol L-1为沉淀完全；Al(OH)3+OH-Al(OH)：K=100.63，Kw=10-14，Ksp[A1(OH)3]=10-33)
（1）Fe、Cr
（2）溶解浸出
（3）MgO、Fe2O3
（4）2Na++2+2CO2+H2O=+2NaHCO3↓
（5）4Fe(CrO2)2+7O2+16NaHCO38Na2CrO4+2Fe2O3+16CO2+8H2O；Na2CO3
（6）②
（7）8.37
【解析】由题给流程可知，铬铁矿、氢氧化钠和空气在高温下连续氧化发生的反应为，在熔融氢氧化钠作用下，Fe(CrO2)2被氧气高温氧化生成铬酸钠和氧化铁，氧化铝与熔融氢氧化钠反应转化为偏铝酸钠，氧化镁不反应；将氧化后的固体加水溶解，过滤得到含有氧化镁、氧化铁的滤渣Ⅰ和含有过量氢氧化钠、铬酸钠、偏铝酸钠的滤液；将滤液在介稳态条件下分离得到铬酸钠溶液、氢氧化钠溶液和偏铝酸钠溶液；向铬酸钠溶液中通入过量的二氧化碳得到重铬酸钠和碳酸氢钠沉淀；向偏铝酸钠溶液中通入过量的二氧化碳气体得到氢氧化铝沉淀和碳酸氢钠；向滤渣Ⅰ中通入二氧化碳和水蒸气，氧化镁与二氧化碳和水蒸气反应转化为碳酸氢镁溶液；碳酸氢镁溶液受热分解得到碳酸镁固体和二氧化碳、水蒸气，二氧化碳、水蒸气可以在工序②循环使用；碳酸镁高温煅烧得到氧化镁。
（1）由分析可知，高温连续氧化工序中被氧化的元素是铁元素和铬元素，故答案为：Fe、Cr；
（2）由分析可知，工序①为将氧化后的固体加水溶解浸出可溶性物质，故答案为：溶解浸出；
（3）由分析可知，滤渣Ⅰ的主要成分是氧化镁和氧化铁，故答案为：MgO、Fe2O3；
（4）工序③中发生的反应为铬酸钠溶液与过量的二氧化碳反应生成重铬酸钠和碳酸氢钠沉淀，反应的离子方程式为2Na++2+2CO2+H2O=+2NaHCO3↓，故答案为：2Na++2+2CO2+H2O=+2NaHCO3↓；
（5）碳酸氢钠代替高温连续氧化工序中的氢氧化钠发生的主要反应为高温下，Fe(CrO2)2与氧气和碳酸氢钠反应生成铬酸钠、氧化铁、二氧化碳和水，反应的化学方程式为4Fe(CrO2)2+7O2+16NaHCO38Na2CrO4+2Fe2O3+ 16CO2+8H2O；若将碳酸氢钠换为碳酸钠也能发生类似的反应，故答案为：4Fe(CrO2)2+7O2+16NaHCO38Na2CrO4+2Fe2O3+16CO2+8H2O；
（6）热解工序产生的混合气体为二氧化碳和水蒸气，将混合气体通入滤渣Ⅰ中可以将氧化镁转化为碳酸氢镁溶液，则混合气体最适宜返回工序为工序②，故答案为：②；
（7）工序④溶液中的铝元素恰好完全转化为沉淀的反应为Al(OH)+H+Al(OH)3+H2O，反应的平衡常数为K1====1013.37，当为10-5mol/L时，溶液中氢离子浓度为=mol/L=10-8.37mol/L，则溶液的pH为8.37，故答案为：8.37。
8．[2021·山东卷]工业上以铬铁矿(FeCr2O4，含Al、Si氧化物等杂质)为主要原料制备红矾钠(Na2Cr2O7 2H2O)的工艺流程如图。回答下列问题：
（1）焙烧的目的是将FeCr2O4转化为Na2CrO4并将Al、Si氧化物转化为可溶性钠盐，焙烧时气体与矿料逆流而行，目的是_________________________________。
（2）矿物中相关元素可溶性组分物质的量浓度c与pH的关系如图所示。当溶液中可溶组分浓度c≤1.0×10-5mol L-1时，可认为已除尽。
中和时pH的理论范围为________；酸化的目的是_______________；Fe元素在_______(填操作单元的名称)过程中除去。
（3）蒸发结晶时，过度蒸发将导致_______________；冷却结晶所得母液中，除Na2Cr2O7外，可在上述流程中循环利用的物质还有__________。
（4）利用膜电解技术(装置如图所示)，以Na2CrO4为主要原料制备Na2Cr2O7的总反应方程式为：4Na2CrO4+4H2O2Na2Cr2O7+4NaOH+2H2↑+O2↑。则Na2Cr2O7在_____(填“阴”或“阳”)极室制得，电解时通过膜的离子主要为___________。
（1）增大反应物接触面积，提高化学反应速率
（2）4.5≤pH≤9.3；使2CrO+2H+Cr2O+H2O平衡正向移动，提高Na2Cr2O7的产率；浸取
（3）所得溶液中含有大量Na2SO4 10H2O；H2SO4
（4）阳；Na＋
【解析】以铬铁矿(FeCr2O4，含Al、Si氧化物等杂质)为主要原料制备红矾钠(Na2Cr2O7 2H2O)过程中，向铬铁矿中加入纯碱和O2进行焙烧，FeCr2O4转化为Na2CrO4，Fe(II)被O2氧化成Fe2O3，Al、Si氧化物转化为NaAlO2、Na2SiO3，加入水进行“浸取”，Fe2O3不溶于水，过滤后向溶液中加入H2SO4调节溶液pH使、转化为沉淀过滤除去，再向滤液中加入H2SO4，将Na2CrO4转化为Na2Cr2O7，将溶液蒸发结晶将Na2SO4除去，所得溶液冷却结晶得到Na2Cr2O7 2H2O晶体，母液中还含有大量H2SO4。据此解答。
（1）焙烧时气体与矿料逆流而行，目的是利用热量使O2向上流动，增大固体与气体的接触面积，提高化学反应速率，故答案为：增大反应物接触面积，提高化学反应速率。
（2）中和时调节溶液pH目的是将、转化为沉淀过滤除去，由图可知，当溶液pH≥4.5时，Al3+除尽，当溶液pH＞9.3时，H2SiO3会再溶解生成，因此中和时pH的理论范围为；将Al元素和Si元素除去后，溶液中Cr元素主要以和存在，溶液中存在平衡：2CrO+2H+Cr2O+H2O，降低溶液pH，平衡正向移动，可提高Na2Cr2O7的产率；由上述分析可知，Fe元素在“浸取”操作中除去，故答案为：；使2CrO+2H+Cr2O+H2O平衡正向移动，提高Na2Cr2O7的产率；浸取。
（3）蒸发结晶时，Na2SO4主要以Na2SO4 10H2O存在，Na2SO4 10H2O的溶解度随温度升高先增大后减小，若蒸发结晶时，过度蒸发将导致所得溶液中含有大量Na2SO4 10H2O；由上述分析可知，流程中循环利用的物质除Na2Cr2O7外，还有H2SO4，故答案为：所得溶液中含有大量Na2SO4 10H2O；H2SO4。
（4）由4Na2CrO4+4H2O2Na2Cr2O7+4NaOH+2H2↑+O2↑可知，电解过程中实质是电解水，阳极上水失去电子生成H＋和O2，阴极上H+得到电子生成H2，由2CrO+2H+Cr2O+H2O可知，在氢离子浓度较大的电极室中制得，即Na2Cr2O7在阳极室产生；电解过程中，阴极产生氢氧根离子，氢氧化钠在阴极生成，所以为提高制备Na2Cr2O7的效率，Na＋通过离子交换膜移向阴极，故答案为：阳；Na＋。
